Cupriavidus necator

Cupriavidus necator
Clasificación científica
Dominio: Bacteria Filo: Pseudomonadota Clase: Betaproteobacteria Orde: Burkholderiales Familia: Burkholderiaceae Xénero: Cupriavidus Especie: C. necator
Nome binomial
Cupriavidus necator (Davis 1969) Yabuuchi et al. 1996
Sinonimia
Ralstonia eutropha

Cupriavidus necator (antes chamada Ralstonia eutropha) é unha bacteria gramnegativa do solo da clase das Betaproteobacteria.^[1]

Taxonomía

A especie hoxe chamada Cupriavidus necator pasou por unha serie de cambios de nome. Na primeira metade do século XX, illáronse moitos microorganismos pola súa capacidade de usar o hidróxeno. Os organismos quimiolitótrofos que metabolizan o hidróxeno agrupáronse no xénero Hydrogenomonas.^[2] C. necator denominouse orixinalmente Hydrogenomonas eutrophus porque estaba dentro do criterio de clasificación para considerala Hydrogenomonas e era "ben nutrida e robusta" (eutrophus).^[3] Algúns dos cultivos orixinais illados de H. eutrophus fixéranos Bovell e Wilde.^[4][5] Despois de que se caracterizou a morfoloxía celular, metabolismo e contido GC das especies do xénero, a nomenclatura de Hydrogenomonas desfíxose porque se viu que comprendía moitas especies moi diferentes de microorganismos.^[2] H. eutrophus foi entón renomeada Alcaligenes eutropha porque era un microorganismo cunha flaxelación peritrica dexenerada.^[3][6] Ao investigarse o fenotipo, composición de ácidos graxos e composición lipídica en xeral e a análise do ARNr 16S, atopouse que A. eutropha pertencía ao xénero Ralstonia e nomeouse como Ralstonia eutropha.^[1] Despois de máis estudos sobre o xénero, viuse que Ralstonia comprendía dous grupos fenotipicamente distintos. Creouse o novo xénero Wautersia para un deses grupos, no cal estaba R. eutropha, a cal foi renomeada como Wautersia eutropha.^[7] Porén, ao examinarse a hibridación ADN-ADN e a comparación de fenotipos coa especie xa existente Cupriavidus necator, atopouse que W. eutropha era a mesma especie que a anteriormente descrita C. necator. Como C. necator fora nomeada en 1987, moito antes que os cambios de nome de R. eutropha e W. eutropha, o nome C. necator foille definitivamente asignado a R. eutropha de acordo coa regra 23a do Código Internacional de Nomenclatura das Bacterias.^[8]

Metabolismo

Cupriavidus necator é unha bacteria oxidante do hidróxeno (unha das chamadas bacterias "Knallgas") capaz de crecer na interface de ambientes anaerobios e aerobios. Pode adaptarse doadamente a estilos de vida heterótrofos e autótrofos. Pode utilizar como fonte de enerxía tanto os compostos orgánicos coma o hidróxeno^[9] C. necator pode realizar a respiración aerobia ou anaerobia por desnitrificación de nitratos ou nitritos a gas nitróxeno.^[10] Cando crece en condicións autótrofas, fixa o carbono pola vía da pentosa fosfato redutiva.^[11] Produce e secuestra plásticos polihidroxialcanoatos (PHA) cando se expón a cantidades excesivas de substratos azucres. O PHA pode acumularse ata niveis dun 90% do peso seco celular.^[12] Para caracterizar mellor o estilo de vida de C. necator, secuenciáronse os xenomas de dúas cepas.^[9][13]

Hidroxenases

Cupriavidus necator pode utilizar o gas hidróxeno como fonte de enerxía cando crece en condicións autótrofas. Conteñen catro hidroxenases que teñen sitios activos [Ni-Fe] e todas realizan esta reacción:^[14][15]

H₂ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 2H⁺ + 2e⁻

As hidroxenases de C. necator son iguais que outras [Ni-Fe]-hidroxenases típicas porque están constituídas por unha subunidade grande e outra pequena. A subunidade grande é onde se encontra o sitio activo [Ni-Fe] e a subunidade pequena está composta de grupos [Fe-S].^[16] Porén, as hidroxenases de C. necator son diferentes das típicas [Ni-Fe]-hidroxenases porque son tolerantes ao oxíxeno e non son inhibidas polo CO.^[14] Aínda que as catro hidroxenases realizan a mesma reacción na célula, cada hidroxenase está ligada a diferentes procesos celulares. As diferenzas entre a hidroxenase regulatoria, a hidroxenase unida a membrana, a hidroxenase soluble e a hidroxenase actinobacteriana en C. necator descríbense máis abaixo.

Hidroxenase regulatoria

A primeira hidroxenase é unha hidroxenase regulatoria (RH) que sinala á célula que está presente o hidróxeno. A RH é unha proteína que contén subunidades grande e pequena de [Ni-Fe]-hidroxenase unidas a unha subunidade de histidina proteína quinase.^[17] O gas hidróxeno oxídase no centro [Ni-Fe] na subunidade grande e á súa vez reduce os grupos [Fe-S] na subunidade pequena. Non se coñece se os electróns se transfiren dos grupos [Fe-S] ao dominio de proteína quinase.^[14] A histidina proteína quinase activa un regulador da resposta. O regulador da resposta é activo na forma desfosforilada. O regulador da resposta desfosforilado promove a transcrición da hidroxenase unida a membrana e da hidroxenase soluble.^[18]

Hidroxenase unida a membrana

A hidroxenase unida a membrana (MBH) está ligada á cadea respiratoria por medio dunha proteína relacionada co citocromo b específica en C. necator.^[19] O gas hidróxeno é oxidado no sitio activo [Ni-Fe] da subunidade grande e os electróns son transportados por grupos [Fe-S] da subunidade pequena ata a proteína similar ao citocromo b.^[14] A MBH está localizada na membrana externa bacteriana. Recupera enerxía para a célula ao enviar electróns á cadea respiratoria e incrementar o gradiente de protóns.^[19] A MBH de C. necator non é inhibida polo CO e é tolerante ao oxíxeno.^[20]

Hidroxenase redutora de NAD⁺

A hidroxense redutora de NAD⁺ (hidroxenase soluble, SH) crea un equivalente de redución NADH oxidando gas hidróxeno (H₂). A SH é unha proteína heterohexámera^[21] con dúas subunidades que forman cada unha das subunidades grande e pequena da [Ni-Fe]-hidroxenase e as outras dúas subunidades máis que comprenden un módulo de redutase similar ao do Complexo I.^[22] O sitio activo [Ni-Fe] oxida o gas hidróxeno que transfire electróns a un módulo cofactor FMN-a, despois a un grupo [Fe-S] da subunidade pequena da hidroxenase e o módulo redutase, despois a outro cofactor FMN-b e finalmente ao NAD⁺.^[14] Os equivalentes redutores son despois utilizados para fixar o dióxido de carbono cando C. necator está crecendo autotrofamente.

O sitio activo da SH de C. necator H16 foi amplamente estudado porque C. necator H16 ten as vantaxes de que pode producirse en gran de cantidade, pode ser manipulado xeneticamente e pode ser analizado con técnicas espectrográficas. Porén, non se dispón actualmente de ningunha estrutura cristalina da hidroxenase soluble de C. necator H16 en presenza de oxíxeno para determinar as interaccións do sitio activo co resto da proteína.^[14]

[Ni-Fe]-hidroxenases anaeróbicas típicas

A [Ni-Fe]-hidroxenase de Desulfovibrio vulgaris e D. gigas teñen estruturas proteicas similares e representan [Ni-Fe]-hidroxenases típicas.^{[14][23][24][25]} A subunidade grande contén o sitio activo [Ni-Fe] enterrado profundamente no interior da proteína e a subunidade pequena contén grupos [Fe-S]. O átomo de Ni está coordinado coa hidroxenase de Desulfovibrio por medio de 4 ligandos cisteína. Dous destes ligandos cisteína iguais tamén forman unha ponte co Fe do sitio activo [Ni-Fe].^[23][24] O átomo de Fe tamén contén tres ligandos, un CO e dous CN que completan o sitio activo.^[26] Estes ligandos adicionais poderían contribuír á reactividade ou axudar a estabilizar o átomo de Fe no estado de oxidación +2 de baixo spin.^[23] As [NiFe]-hidroxgenases típicas como as de D. vulgaris e D. gigas son envelenadas polo oxíxeno porque un átomo de oxíxeno se une fortemente ao sitio activo NiFe.^[20]

Hidroxenase soluble tolerante ao oxíeno de C. necator

A hidroxenase soluble (SH) de C. necator é única respecto ás doutros organismos porque é tolerante ao oxíxeno.^[27] O sitio activo da SH foi estudado para descubrir por que esta proteína é tolerante ao oxíxeno. Un estudo recente mostrou que a tolerancia ao oxíxeno que presenta a SH está baseado nunha detoxificación de CO₂ impulsada cataliticamente continua. Os xenes que codifican esta SH poden ser regulados á alza baixo condicións de crecemento heterótrofo usando glicerol no medio de crecemento^[28] e isto permite a produción aerobia e purificación do mesmo encima.^[29]

Aplicacións

As hidroxenases tolerantes ao oxíxeno de C. necator foron estudadas con diversos propósitos. C. necator estudouse como un organismo interesante para axudar a soster a vida no espazo. Pode fixar o dióxido de carbono como fonte de carbono, usa a urea dos ouriños como fonte de nitróxeno e usa o hidróxeno como fonte de enerxía para crear densos cultivos que poderían utilizarse como fonte de proteínas.^[30][31]

A electrólise da auga é unha forma de crear oxíxeno atmosférico no espazo e C. necator foi investigado para reciclar o hidróxeno producido durante este proceso.^[32]

As hidroxenases tolerantes ao oxíxeno están utilizándose para investigar a produción de combustibles. As hidroxenases de C. necator foron utilizadas para cubrir as superficies de eléctrodos para crear células de combustible tolerantes ao oxíxeno e monóxido de carbono.^[20] e para deseñar complexos captadores de luz produtores de hidróxeno.^[33] Ademais, as hidroxenases de C. necator foron utilizadas para crear sensores de hidróxeno.^[34]

C. necator modificados xeneticamente poden producir isobutanol a partir de CO₂, que pode substituír directamente á gasolina ou mesturarse con ela. O organismo emite o isobutanol sen ter que ser destruído para recollelo.^[35] Investigadores da UCLA modificaron xeneticamente unha capa da especie C. necator (antes chamada cepa R. eutropha H16) para producir isobutanol a partir de CO₂ usando electricidade producida por unha célula solar. O proxecto, financiado polo Departamento de Enerxía dos Estados Unidos, é unha fonte potencial de electrocombustible de alta densidade de enerxía que podería usar a infraestrutura existente para substituír o petróleo como combustible para o transporte.^[36]

Os enxeñeiros químicos e biomoleculares do Instituto Avanzado de Ciencias e Tecnoloxía de Corea presentaron unha forma escalable de converter o CO₂ do aire nun poliéster por medio de C. necator.^[37]

Notas

1. Yabuuchi; et al. (1995). "Transfer of two Burkholderia and an Alcaligenes species to Ralstonia gen. nov.: proposal of Ralstonia pickettii (Ralston, Palleroni and Doudoroff 1973) comb. nov., Ralstonia solanacearum (Smith 1896) comb. nov. and Ralstonia eutropha (Davis 1969) comb. nov". Microbiol Immunol 39 (11): 897–904. PMID 8657018. doi:10.1111/j.1348-0421.1995.tb03275.x. 
2. Davis, D.; Doudoroff, M.; Stanier, R. (1969). "Proposal to reject the genus Hydrogenomonas: Taxonomic implications". Int J Syst Bacteriol 19 (4): 375–390. doi:10.1099/00207713-19-4-375. 
3. Bowien, B.; Schlegel, H. (1981). "Physiology and biochemistry of aerobic hydrogen-oxidizing bacteria". Annu. Rev. Microbiol. 35: 405–452. PMID 6271040. doi:10.1146/annurev.mi.35.100181.002201. 
4. Repaske, R. (1981). "Nutritional Requirements forHydrogenomonas eutropha". J. Bacteriol. 83 (2): 418–422. PMC 277745. PMID 14491520. doi:10.1128/JB.83.2.418-422.1962. 
5. Wilde, E. (1962). "Untersuchungen über Wachstum und Speicherstoffsynthese von Hydrogenomonas eutropha". Archiv für Mikrobiologie 43 (2): 109–137. doi:10.1007/bf00406429. 
6. Davis, D.; Stanier, R.; Doudoroff, M. (1970). "Taxonomic Studies on Some Gram Negative Polarly Flagellated "Hydrogen Bacteria" and Related Species". Arch. Mikrobiol. 70 (1): 1–13. PMID 4987616. doi:10.1007/BF00691056. 
7. Vaneechoutte, M.; Kampfer, P.; De Baere, T.; Falsen, E.; Verschraegen, G. (2004). "Wautersia gen. nov., a novel genus accommodating the phylogenetic lineage including Ralstonia eutropha and related species, and proposal of Ralstonia [Pseudomonas] syzygii(Roberts et al. 1990) comb. nov". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 54 (Pt 2): 317–327. PMID 15023939. doi:10.1099/ijs.0.02754-0. 
8. Vandamme, P.; Coenye, T. (2004). "Taxonomy of the genus Cupriavidus: a tale of lost and found". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 54 (6): 2285–2289. PMID 15545472. doi:10.1099/ijs.0.63247-0. 
9. Pohlmann, A.; Fricke, W.; Reinecke, F.; Kusian, B.; Liesegang, H.; Cramm, R.; Eitinger, T.; Ewering, C.; Potter, M.; Schwartz, E.; Strittmatter, A.; Vob, I.; Gottschalk, G.; Steinbuchel, A.; Friedrich, B.; Bowien, B. (2006). "Genome sequence of the bioplastic-producing Knallgas bacterium Ralstonia eutropha H16". Nature Biotechnology 24 (10): 1257–1262. PMID 16964242. doi:10.1038/nbt1244. 
10. Cramm, R. (2009). "Genomic View of Energy Metabolism in Ralstonia eutropha H16". J Mol Microbiol Biotechnol 16 (1–2): 38–52. PMID 18957861. doi:10.1159/000142893. 
11. Bowien, B.; Kusian, B. (2002). "Genetics and control of CO₂ assimilation in the chemoautotroph Ralstonia eutropha". Arch Microbiol 178 (2): 85–93. PMID 12115053. doi:10.1007/s00203-002-0441-3. 
12. Spiekermann, P.; Rehm, B.; Kalscheuer, R.; Baumeister, D.; Steinbuchel A. (1999). "A sensitive, viable-colony staining method using Nile red for direct screening of bacteria that accumulate polyhydroxyalkanoic acids and other lipid storage compounds". Arch Microbiol 171 (2): 73–80. PMID 9914303. doi:10.1007/s002030050681. 
13. Lykidis, A.; Perez-Pantoja, D.; Ledger, T.; Marvomatis, K.; Anderson, I.; Ivanova, N.; Hooper, S.; Lapidus, A.; Lucas, A.; Gonzalez, B.; Kyrpides, N. (2010). Ahmed, Niyaz, ed. "The Complete Multipartite Genome Sequence of Cupriavidus necator JMP134, a Versatile Pollutant Degrader". PLOS ONE 5 (3): 1–13. PMC 2842291. PMID 20339589. doi:10.1371/journal.pone.0009729. 
14. Burgdorf, T.; Buhrke, T.; van der Linden, E.; Jones, A.; Albracht, S.; Friedrich, B. (2005). "[NiFe]-Hydrogenases of Ralstonia eutropha H16: Modular Enzymes for Oxygen-Tolerant Biological Hydrogen Oxidation". J Mol Microbiol Biotechnol 10 (2–4): 181–196. PMID 16645314. doi:10.1159/000091564. 
15. Schäfer, Caspar; Friedrich, Bärbel; Lenz, Oliver (1 de setembro de 2013). "Novel, Oxygen-Insensitive Group 5 [NiFe]-Hydrogenase in Ralstonia eutropha". Applied and Environmental Microbiology 79 (17): 5137–5145. PMC 3753944. PMID 23793632. doi:10.1128/AEM.01576-13. 
16. Schwartz, E.; Friedrich, B. (2006). "The H
    2-Metabolizing Prokaryotes". Prokaryotes 2: 496–563. ISBN 978-0-387-25492-0. doi:10.1007/0-387-30742-7_17. 
17. Lenz, O.; Friedrich, B. (1998). "A novel multicomponent regulatory system mediates H
    2 sensing in Alcaligenes eutrophus". PNAS 95 (21): 12474–12479. PMC 22855. PMID 9770510. doi:10.1073/pnas.95.21.12474. 
18. Friedrich, B.; Buhrke, T.; Burgdorf, T. (2005). "A hydrogen-sensing multiprotein complexcontrols aerobic hydrogen metabolism in Ralstonia eutropha". Biochemical Society Transactions 33 (Pt 1): 97–101. PMID 15667276. doi:10.1042/BST0330097. 
19. Bernhard, M.; Benelli, B.; Hochkoeppler, A.; Zannoni, D.; Friedrich, B. (1997). "Functional and structural role of the cytochrome b subunit of the membrane-bound hydrogenase complex of Alcaligenes eutrophus H16". Eur. J. Biochem. 248 (1): 179–186. PMID 9310376. doi:10.1111/j.1432-1033.1997.00179.x. 
20. Vincent, K.; Cracknell, J.; Lenz, O.; Zebger, I.; Friedrich, B.; Armstrong, F. (2005). "Electrocatalytic hydrogen oxidation by an enzyme at high carbon monoxide or oxygen levels". PNAS 102 (47): 16951–16954. PMC 1287975. PMID 16260746. doi:10.1073/pnas.0504499102. 
21. Schneider, K.; Schlegel, H. (1976). "Purification and properties of soluble hydrogenase from Alcaligenes eutrophus H 16". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology 452 (1): 66–80. PMID 186126. doi:10.1016/0005-2744(76)90058-9. 
22. Tran-Betcke, A.; Warnecke, U.; Bocker, C.; Zaborosch, C.; Friedrich, B. (1990). "Cloning and Nucleotide Sequences of the Genes for the Subunits of NAD-Reducing Hydrogenase of Alcaligenes eutrophus H16". Journal of Bacteriology 172 (6): 2920–2929. PMC 209089. PMID 2188945. doi:10.1128/jb.172.6.2920-2929.1990. 
23. Higuchi, .; Yagi, T.; Yasuoka, N. (1997). "Unusual ligand structure in Ni–Fe active center and an additional Mg site in hydrogenase revealed by high resolution X-ray structure analysis". Structure 5 (12): 1671–1680. PMID 9438867. doi:10.1016/S0969-2126(97)00313-4. 
24. Volbeda, A.; Garcin, E.; Piras, C.; de Lacey, A.; Fernandez, V.; Hatchikian, C.; Frey, M.; Fontecilla-Camps, J. (1996). "Structure of the [NiFe] Hydrogenase Active Site: Evidence for Biologically Uncommon Fe Ligands". J. Am. Chem. Soc. 118 (51): 12989–12996. doi:10.1021/ja962270g. 
25. Volbeda, A.; Charon, M.; Piras, C.; Hatchikian, C.; Frey, M.; Fontecilla-Camps, J. (1995). "Crystal structure of the nickel-iron hydrogenase from Desulfovibrio gigas". Nature 373 (6515): 580–587. PMID 7854413. doi:10.1038/373580a0. 
26. Happe, R.; Roseboom, W.; Pierik, A.; Albracht, S. (1997). "Biological activation of hydrogen". Nature 385 (6612): 126. PMID 8990114. doi:10.1038/385126a0. 
27. Schneider, K.; Cammack, R.; Schlegel, G.; Hall, D. (1979). "The iron-sulphur centres of soluble hydrogenase from Alcaligenes eutrophus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Protein Structure 578 (2): 445–461. PMID 226163. doi:10.1016/0005-2795(79)90175-2. 
28. Jugder, Bat-Erdene; Chen, Zhiliang; Ping, Darren Tan Tek; Lebhar, Helene; Welch, Jeffrey; Marquis, Christopher P. (2015-03-25). "An analysis of the changes in soluble hydrogenase and global gene expression in Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16 grown in heterotrophic diauxic batch culture". Microbial Cell Factories 14 (1): 42. ISSN 1475-2859. PMC 4377017. PMID 25880663. doi:10.1186/s12934-015-0226-4. 
29. Jugder, Bat-Erdene; Lebhar, Helene; Aguey-Zinsou, Kondo-Francois; Marquis, Christopher P. (2016). "Production and purification of a soluble hydrogenase from Ralstonia eutropha H16 for potential hydrogen fuel cell applications". MethodsX 3: 242–250. ISSN 2215-0161. PMC 4816682. PMID 27077052. doi:10.1016/j.mex.2016.03.005. 
30. Repaske, R.; Mayer, R. (1976). "Dense Autotrophic Cultures of Alcaligenes eutrophus". Applied and Environmental Microbiology 32 (4): 592–597. PMC 170312. PMID 10840. doi:10.1128/AEM.32.4.592-597.1976. 
31. Ammann, E.; Reed, L. (1967). "Metabolism of nitrogen compounds by hydrogenomonas eutropha". Biochim. Biophys. Acta 141 (1): 135–143. PMID 4963807. doi:10.1016/0304-4165(67)90252-8. 
32. Foster, J.; Litchfield, J. (1964). "A Continuous Culture Apparatus for the Microbial Utilization of Hydrogen Produced by Electrolysis of Water in Closed-Cycle Space Systems". Biotechnology and Bioengineering 6 (4): 441–456. doi:10.1002/bit.260060406. 
33. Ihara, M.; Mishihara, H.; Yoon, K.; Lenz, O.; Friedrich, B.; Nakamoto, H.; Kojima, K.; Honoma, D.; Kamachi, T.; Okura, I. (2006). "Light-driven Hydrogen Production by a Hybrid Complex of a [NiFe]-Hydrogenase and the Cyanobacterial Photosystem I". Photochemistry and Photobiology 82 (3): 676–682. PMID 16542111. doi:10.1562/2006-01-16-RA-778. 
34. Lutz, B.; Fan, H.; Burgdorf, T.; Friedrich, B. (2005). "Hydrogen Sensing by Enzyme-Catalyzed Electrochemical Detection". Anal. Chem. 77 (15): 4969–4975. PMID 16053311. doi:10.1021/ac050313i. 
35. "Teaching a microbe to make fuel - MIT News Office". Web.mit.edu. Consultado o 2012-08-22. 
36. Li, H.; Opgenorth, P. H.; Wernick, D. G.; Rogers, S.; Wu, T.-Y.; Higashide, W.; Malati, P.; Huo, Y.-X.; Cho, K. M.; Liao, J. C. (2012). "Integrated Electromicrobial Conversion of CO₂ to Higher Alcohols". Science 335 (6076): 1596. PMID 22461604. doi:10.1126/science.1217643. 
37. "Using bacteria to convert CO₂ in the air into a polyester". phys.org. doi:10.1073/pnas.2221438120. 

Véxase tamén

Ligazóns externas

• Cepa tipo de Cupriavidus necator en BacDive - the Bacterial Diversity Metadatabase